ELETROTEHNIKE KOMPONENTE TRANZISTORI Osnovna konstrukcija i simbol a

ELETROTEHNIČKE KOMPONENTE

TRANZISTORI Osnovna konstrukcija i simbol: a) PNP b) NPN Tri elektrode koje tranzistor ima su: E-emiter (emituje) C-kolektor (sakuplja) B- baza (upravlja)

-Naziv Tranzistora. Naziv tranzistora je izvedenica od dve reči (transferpromenljivi, resistor-otpor). U početku je nazivan i kristalna trioda, po ekivalentnoj elektronskoj cevi po imenu trioda

RAZVOJ TRANZISTORA I PRVI IZUMITELJI�Prvi tranzistor su napravili Vilijam Šokli, Džon Bardin i Valter Bretejn 22. decembra 1947. godine u Belovim laboratorijama. Šokli, Bardin i Bretejn su dobili Nobelovu nagradu za svoj izum za njihova istraživanja poluprovodnika i otkriće tranzistorskog efekta

Poluprovodnička revolucija: Glavni akteri 2000 1956 W. B. Shockley J. Bardeen W. H. Brattain "for their researches on semiconductors and their discovery of the transistor effect" H. Kroemer Zh. I. Alferov "for developing semiconductor heterostructures used in highspeed- and opto-electronics" J. S. Kilby "for his part in the invention of the integrated circuit"

Bipolarni tranzistori • Bipolarni tranzistor je komponenta sa tri elektrode • Poseduje pojačavačko svojstvo u smislu da male promene signala između ulazne i referentne elektrode izazivaju nagle promene između izlazne i referentne elektrode • Konstrukcija tranzistora je izvedena tako što su dva komada poluprovodnika istog tipa (zovu se kolektor i emiter) spojena uskim poluprovodnikom suprotnog tipa koji se zove baza • U zavisnosti od toga da li su kolektor i emiter poluprovodnici N tipa, a baza P tipa ili obrnuto imamo NPN i PNP tipove bipolarnih tranzistora

Da bi bipolarni tranzistor imao pojačavačko svojstvo, potrebno je ispuniti: � Tehnološke zahteve izrade � Pravilno polarisati tranzistor Tehnološki zahtevi da bi tranzistor imao pojačavačko svojstvo su: • Emitor mora biti najjače dopiran, baza najslabije, a kolektor jače dopiran od baze a slabije od emitora • Širina baze između emitora i kolektora mora biti dovoljno mala Pravilno polarisati bipolarne tranzistore znači: • Kolektorsko – bazni PN spoj polarisati inverzno • Bazno emitorski PN spoj polarisati direktno • Ovo se postiže adekvatnim podešavanjem i napona i struja u kolu u kom se bipolarni tranzistor nalazi

Koncentracije elektrona i šupljina u PN spojevima NPN • Prostorni tovar se širi bipolarnog tranzistora direktno polarisanog u slabije dopran • • • poluprovodnik Bazna struja značajno povećava koncentraciju elektrona i gradijent u bazi Bez bazne struje, kolektorska struja ne može da teče jer je PN spoj kolektor – baza inverzno polarisan I vrlo mala bazna struja dozvoljava kolektorskoj struji da poteče

Kada bipolarni tranzistor radi u aktivnom režimu, kolektorska struja je proporcionalna baznoj struji: i. C= i. B • Koeficijent strujnog pojačanja je tipično vrednosti od nekoliko stotina puta • Ovaj koeficijent zavisi od temperature tranzistora i vrednosti bazne struje • Približno se može smatrati konstantnim kod rešavanja kola, sa vrlo tačnim rezultatima • Kolektorska struja u manjoj meri zavisi od napona kolektor – baza jer veći napon sužava oblast prostornog tovara i unekoliko povećava kolektorsku struju • Ova pojava naziva se Erlijev (Early) efekat • Napon VA u izrazu naziva se Erlijev napon

Električni model NPN tranzistora u aktivnom režimu �Uloga električnog modela je da bipolarni tranzistor predstavi kao kombinaciju standardnih naponskih i strujnih generatora �I pored relativne složenosti bipolarnog tranzistora, električni model u aktivnom režimu je relativno jednostavan �Napon baze u aktivnom režimu je za 0, 6 V veći od napona emitora �Kolektorska struja je puta veća od bazne struje

Električni model PNP tranzistora u aktivnom režimu �Napon baze u aktivnom režimu je za 0, 6 V manji od napona emitora �Kolektorska struja je puta veća od bazne struje, ali su smerovi i bazne i kolektorske struje suprotni od smerova bazne i kolektorske struje kod NPN tranzistora

Statičke karakteristike tranzistora � Statičke karakteristike tranzistora su krive koje pokazuju zavisnosti između odgovarajućih napona i/ili struja

Ulazna karakteristika tranzistora sa zajedničkim emitorom

Prenosna karakteristika tranzistora sa zajedničkim emitorom

Realna izlazna karakteristika tranzistora sa zajedničkim emitorom

Idealizovana izlazna karakteristika tranzistora sa zajedničkim emitorom

Polarizacija tranzistora �Pod polarizacijom se podrazumeva priključenje tranzistora na jednosmerne napone tako da tranzistor radi u željenom režimu �Ako je cilj aktivni režim spoj kolektor – baza mora biti polarisan inverzno, a baza emiter direktno

Polarizacija NPN tranzistora jednom baterijom

Polarizacija PNP tranzistora jednom baterijom

Polarizacija strujnim ogledalom �Za polarizaciju tranzistora u integrisanoj tehnologiji bitno je koristiti što manje otpornika da bi se sačuvala površina substrata �U tu svrhu koristi se polarizacija korišćenjem dva tranzistora, povezanih u šemu “strujnog ogledala”

Strujno ogledalo sa dva NPN tranzistora • Ako su tranzistori na istom substratu, karakteristike su im približno iste, pa je pri šemi kao na slici i napon PN spojeva oba tranzistora jednak • Kako su bazne struje jednake, i kolektorske struje su jednake, pa je na osnovu strujnog Kirhofovog zakona I=IC+2 IB

• Za dovoljno veliko (u praksi je to uvek slučaj), može se reći da je primenom strujnog ogledala IC I • Kako je

• Proizilazi da je kolektorska struja izlaznog tranzistora određena samo naponom napajanja i vrednošću otpornika R u kolektorskoj grani ulaznog tranzistora • U odgovarajućem opsegu vrednosti kolektorska struja izlaznog tranzistora ne zavisi od otpornika RC • Strujno ogledalo se može tretirati kao naponom kontrolisan strujni generator • Ako uzmemo za =100 dobija se da je IC=0, 98 I

Strujno ogledalo sa tri NPN tranzistora

� Strujna ogledala sa NPN tranzistorima mogu da “vuku struju” iz izvora � Međutim, ponekad je potrebno da se struja “gura” u potrošač (recimo kod unipolarnog izvora testerastog signala) � Po potrebi ulazni tranzistor može se zameniti diodom Strujno ogledalo sa dva PNP tranzistora

Polarizacija paralelno vezanih tranzistora �U cilju povećanja strujnih mogućnosti i povećanja efikasnosti elektronskog kola, tranzistori se ponekad povezuju paralelno �Ako je disipacija na jednom tranzistoru za datu struju I, I 2 R, kada se struja podeli između dva tranzistora, disipacija na svakom pojedinačno je: �Što zbirno iznosi: �Odnosno ukupno upola manju disipaciju

Polarizacija paralelno vezanih tranzistora

Polarizacija paralelno vezanih tranzistora

Polarizacija Darlingtonove sprege tranzistora � Da bi se povećalo strujno pojačanje , tranzistori se povezuju u speregu, koja se naziva Darlingtonova sprega tranzistora � Pošto je emitor ulaznog tranzistora direktno povezan na bazu izlaznog tranzistora, ukupno pojačanje Darlingtonove sprege jednako je proizvodu pojedinačnih strujnih pojačanja e= 1 2 � Da bi Darlingtonova sprega imala veliko pojačanje i pri malim i pri velikim strujama, poželjno je staviti otpornik između baze i emitora izlaznog tranzistora � Zadatak ovog otpornika je da dozvoli uključenje izlatnog tranzistora tek kad kolektorska struja ulaznog tranzistora dostigne vrednost � Otpornik R ujedno doprinosi temperaturnoj stabilnosti, i omogućava brže rasterćenje sporednih nosilaca iz baze, odnosno omogućava brže isključenje

Polarizacija Darlingtonove sprege tranzistora �Nedostatak darlingtonove sprege je taj što mu je napon uključenja 2 VBET=1, 2 V �Kod zasićenja najniži napon saturacije mu je VCES 2=0, 7 V (VCES 2=VBE 2+VCES 1), što mu unekoliko ograničava primenu u energetskoj elektronici

Ograničenja kod polarizacije tranzistora Postoje tri ograničenja o kojim treba voditi računa prilikom polarizacije tranzistora, i to su: � Naponsko ograničenje da napon kolektor baza ne pređe napon proboja VBDV � Strujno ograničenje - struja kroz tranzistor stvara disipaciju kroz isti, pa se mora voditi računa o tome da struja ne pređe granične vrednosti (kataloški ih zadaje proizvođač) � Ograničenje po snazi - važno je da se tranzistor ne optereti preko ograničenja po snazi (proizvodu napona i struje) u skladu sa specifikacijom proizvođača

Zasićenje bipolarnog tranzistora � Do zasićenja u radu bipolarnog tranzistora dolazi kada se oba PN spoja direktno polarišu � U praksi, to se događa kada struja kolektora na otporniku u kolektorskoj grani stvori dovoljan pad napona da razlika između napona baterije VCC i pada napona na otporniku u kolektorskoj grani bude jednaka naponu kolektor – emiter saturacije, koji tipično iznosi VCES=0, 2 V � Napon baza – emiter kada je tranzistor u saturaciji je tipično VBES=0, 7 V � Napon kolektor baza je tada � VCBS = VCES – VBES = 0, 2 V – 0, 7 V = - 0, 5 V � Kolektor je na potencijalu za 0, 5 V nižem od potencijala baze, što za NPN tranzistor znači da je i spoj baza – kolektor direktno polarisan

Zasićenje bipolarnog tranzistora

Zasićenje bipolarnog tranzistora � Usled velike koncentracije elektrona kao sporednih nosilaca naelektrisanja u bazi NPN tranzistora, smanjuje se gradijent, a sa njime i struja kolektora � Pojačanje bazne struje više ne iznosi nekoliko stotina puta kao kod aktivnog režima, već 1 do 2 puta, a može se desiti da bazna struja bude veća od kolektorske u slučaju duboke saturacije

Zakočenje bipolarnog tranzistora �Bipolarni tranzistor je zakočen kada su oba PN spoja inverzno polarisana, odnosno kada je napon baza – emiter manji od napona praga VBE<0, 5 V �Tada se sve tri elektrode modeluju kao međusobno nespojene (nulte struje između bilo koje dve elektrode) Bipolarni tranzistor u inverzno aktivnom režimu • Bipolarni tranzistor radi u inverzno aktivnom režimu kada je spoj baza – emiter inverzno polarisan, a spoj baza – kolektor direktno • Tada je strujno pojačanje znatno manje nego u aktivnom režimu zbog slabije dopiranosti kolektora u odnosu na emiter • Ovaj režim biće obrađen u okviru predavanja o logičkim

Prekidački režim rada tranzistora � Kada se koristi u impulsnom režimu, kao prekidač, tranzistor treba da brzo promeni stanje iz zakočenja (neprovodno stanje) u saturaciju (provodno stanje) i obrnuto u skladu sa kontrolnim naponom koji se dovodi na bazu � Vreme kašnjenja td je vreme potrebno da bazna struja napuni kapacitivnost PN spoja baza – emiter do napona praga VBET � Kada je PN spoj baza – emiter na naponu praga VBET, kolektorska struja IC počinje da raste eksponencijalno i potrebno je da prođe vreme uspona tr dok ne dostigne 90% svoje nominalne vrednosti � Vreme uključenja jednako je zbiru vremena kašnjenja td i vremena uspona tr, ti=td+tr � Kod isključenja, prvo je potrebno da bazna struja krene na suprotnu stranu dok ne izvuče višak sporednih nosilaca iz baze � To je vreme rasterećenja (storage time) ts. Po isteku ts, potrebno je da prođe vreme opadanja tf da bi isključeni PN spoj baza – emiter isključio struju kolektora IC koja eksponencijalno opada � Vreme isključenja jednako je zbiru vremena rasterećenja ts i vremena opadanja tf, ti=ts+tf

MOSFET Tranzistori • MOSFET tranzistori rade na bazi dejstva električnog polja koje se formira unutar kondenzatorske strukture provodni gejt – izolator od oksida – poluprovodnički kanal (ugrađen ili indukovan) • Na osnovu kriterijuma da li struja drejna teče i pri VGS=0 ili ne MOSFET – ove delimo na one sa ugrađenim i na one sa indukovanim kanalom

Konstrukcija MOSFET - a • Za N kanalni MOSFET sa ugrađenim kanalom, (depletion MOSFET) između dva jače dopirana ostrvca N tipa (sors i drejn) u bazi koja je slabije dopirani poluprovodnik P tipa se dopira N kanal manje koncentracije elektrona od sorsa i drejna • Naparavanjem se formira izolator od Si. O 2 koji prekriva čitav kanal i delimično sors i drejn • Iznad izolatora se stavlja sloj provodnika koji predstavlja gejt • Osnova ili substrat P tipa se konstrukcijski kratko spaja sa sorsom koji treba da ima najniži potencijal u kolu, da bi ni došlo do direktne polarizacije između osnove i sorsa • Naziv deplition nije baš najsrećnije izabran jer znači osiromašeni MOSFET, dok MOSFET bez kanala se naziva obogaćeni (enhacement) MOSFET • Struktura provodnik – izolator – poluprovodni kanal je kondenzatorska struktura

Konstrukcija MOSFET - a

Mehanizam rada MOSFETA - a � Kada je gejt nespojen na napon, a dovede se napon između drejna i sorsa, struja teče kroz MOSFET � Dovođenjem negativnog napona na gejt prema sorsu, formira se električno poljeizmeđu gejta i kanala kao kod kondenzatora; kako je potencijal gejta negativan, potencijal kanala postaje pozitivan, a kako je u pitanju poluprovodnik N tipa, elektroni napuštaju kanal zbog pozitivnog potencijala � Napuštanjem elektrona kanal se sužava � Dovoljno negativan napon na gejtu učiniće MOSFET neprovodnim, odnosno zakočenim � Negativni napon koji isključuje MOSFET se kao i kod JFET – ova zove napon uštinuća VP � MOSFET provodi samo kada je VGS>VP, a u zavisnosti od od napona VGD razlikujemo rad u omskoj oblasti i rad u zasićenju

Rad MOSFET – a u omskoj oblasti � U omskoj oblasti je ako je VGD=VGS – VDS>VP (tada nema formiranja uzanog provodnog kanalića – “neck” – a)

Rad MOSFET – a u zasićenju � kada je VGD=VGS – VDS < VP (tada se formira uzani provodni kanalić – “neck” kod drejna, a prestaje negde na potezu prema sorsu i tada struja drejna vrlo malo zavisi od napona VDS)

Strujno – naponske karakteristika MOSFETA u � Omskoj oblasti: ID=B(2(VGS - VP)VDS – VDS 2), B je parametar koji daje proizvođač � Zasićenju, idealizovano: ID=B(VGS-VP)2, B je parametar koji daje proizvođač � Zasićenju sa uvažavanjem Erlijevog efekta:

Izlazna karakteristika N kanalnog MOSFET – a sa ugrađenim kanalom � Razlika u odnosu na izlaznu karakteristiku JFET – a ne postoji maksimalna struja IDSS pri VGS=0, jer VGS može da raste i preko 0 V, a sa njim i struja ID � Ipak, proizvođači zbog analogije sa JFET – om ponekad daju IDSS kao parametar (struju ID kada je VGS=0 V)

Rad N kanalnog MOSFET – a sa ugrađenimkanalom pri VGS>0 � Za razliku od JFET – a gde napon VGS mora biti u opsegu VP<VGS<0 V, kod N kanalnih MOSFET – ova sa ugrađenim kanalom, zahvaljujući izolatorskom sloju od Si. O 2, napon gejta prema sorsu može da bude i pozitivan � Pozitivan napon na gejtu, stvara električno polje u Si. O 2 takvo da se negativno naelektisanje (elektroni) gomila u kanalu, odnosno kanal se proširuje

Prenosna karakteristika i električni simboli N kanalnog MOSFET – a sa ugrađenim kanalom

Prenosna karakteristika i električni simboli P kanalnog MOSFET – a sa ugrađenim kanalom

MOSFET sa indukovanim kanalom � Na prenosnoj karakteristici N kanalnog MOSFET – a vidi se nedostatak da je potreban negativan napon na gejtu da bi se MOSFET isključio � Da bi N kanalni MOSFET mogao da se isključi pri pozitivnom naponu gejta prema sorsu, potrebno je da ima prenosnu karakteristiku kao na slici

MOSFET sa indukovanim kanalom � Ovakva pomeranja prenosne karakteristike tehnološki se postižu prostom NE ugradnjom kanala � U tom smislu, tehnološki osiromašen MOSFET, postaje obogaćen u funkcionalnom smislu, pa mu je engleski naziv enhacement (obogaćeni) MOSFET

MOSFET sa indukovanim kanalom � Kako kod N kanalnog MOSFET – a sa indukovanim kanalom ne postoji ugrađen kanal, pri nultom naponu VGS, struja između sorsa i drejna ne može da teče jer između sorsa i drejna postoje dva inverzno polarisana PN spoja � Dovođenjem pozitivnog napona na gejt koji je veći od napona praga VT, električno polje gejta privlači dovoljan broj elektrona iz substrata i formira kanal

MOSFET sa indukovanim kanalom Izgled indukovanog kanala u omskoj oblasti Izgled indukovanog kanala u oblasti zasićenja

MOSFET sa indukovanim kanalom � Strujno – naponske karakteristike MOSFET - a sa ugrađenim i indukovanim kanalom su identične, s’ tim da se VP u formulama za MOSFET sa ugrađenim kanalom zameni sa VT da bi važile za MOSFET sa indukovanim kanalom � Zahvaljujući MOSFET – u sa indukovanim kanalom, omogućena je tehnologija visoke integracije, jer se tranzistori formiraju kao mala dopirana ostrvca na substratu.

V - MOSFET � JFET, MOSFET sa ugrađenim i MOSFET sa indukovanim kanalom predstavljaju signalne komponente, odnosno to su elektronske komponente koje ne procesiraju veliku snagu � Elektronska komponenta koja treba da radi sa signalima velike snage treba da ima sposobnost da provodi jake struje i da podnosi velike probojne napone � Jake struje obezbeđuju se smanjenjem otpornosti provodnog kanala, što se postiže smanjenjem otpornosti indukovanog kanala njegovim skraćenjem � Skraćenjem kanala (približavanjem elektroda), smanjuje se probojni napon � Povećanjem rastojanja povećava se probojni napon, ali se povećava i dužina, a sa njom i otpornost kanala (smanjuje se jačina stuje priliko provođenja) � Tipičan predstavnik visokonaponskog VMOSFET – a je IRF 840, a niskonaponskog (jakostrujnog) je BUZ 11 � Zamajna dioda je posledica strukture VMOSFET – a

V - MOSFET

Ispitivanje tranzistora